Eine Einführung in die Zellstoffwechsel

Cell Biology

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Summary

In Zellen sind kritische Moleküle durch Zusammenfügen von Einzelteilen wie Aminosäuren oder Nukleotide eingebaut oder in kleinere Bestandteile zerlegt. Verantwortlich für diese Reaktionen werden bzw. wie anabole und katabole bezeichnet. Diese Reaktionen benötigen oder Energie in der Regel in Form von einem "energiereichen" Molekül namens ATP zu produzieren. Zusammen, diese Prozesse "Cell Metabolism" bilden, und sind Markenzeichen von gesunden, lebenden Zellen.

Jupiters Einführung in Zellstoffwechsel Bewertungen kurz die reiche Geschichte dieses Feldes, von frühen Studien zur Photosynthese bis hin zu neueren Entdeckungen im Zusammenhang mit der Erzeugung von Energie in allen Zellen. Dies wird gefolgt von einer Diskussion über einige wichtigen Fragen, die die Wissenschaftler untersuchen, Stoffwechsel und gängige Methoden, die sie anwenden, um diese Fragen zu beantworten. Schließlich werden wir untersuchen, wie aktuelle Forscher sind studierte Veränderungen im Stoffwechsel, die Stoffwechselstörungen, oder dass begleiten nach Exposition gegenüber Umwelt-Stressoren auftreten.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Cell Biology. Eine Einführung in die Zellstoffwechsel. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Zellstoffwechsel bezieht sich auf die lebenswichtigen Stoffwechselreaktionen, die innerhalb einer Zelle auftreten. Bei "Stoffwechsel" die meisten Leute denken, verbinden sie es mit der "Verbrennung" oder brechen hinunter von Nährstoffen. Jedoch umfasst Stoffwechsel in der Zelle Biologie "Katabolismus", die das brechen hinunter von Molekülen und "Anabolismus", die die Synthese von neuen biologischen Verbindungen. Diese Prozesse Zellen mit Energie versorgen und deren Komponenten, bzw. den Aufbau.

Dieses Video wird in der großen Entdeckungen vertiefen, die für unser Verständnis des Zellstoffwechsels beigetragen haben. Wir begleiten diese mit einer Untersuchung der Schlüsselfragen im Feld, und einige der Techniken zur derzeit Stoffwechselwege zu studieren.

Lass uns tauchen Sie ein in die reiche Geschichte des zellulären Stoffwechsels.

Zwischen 1770 und 1805 durchgeführt vier Chemiker Schlüsselexperimente, die geholfen haben, um zu erklären, wie Pflanzen produzieren "Masse" zu wachsen. Ihre Arbeit führte zu die grundlegenden Photosynthese-Reaktion, die ergab, dass in der Sonne, Pflanzen in Kohlendioxid und Wasser und Sauerstoff und organischem Material produzieren. Später in den 1860er Jahren festgestellt Julius von Sachs, dass dieses organische Material Stärke, war die der Zucker Glucose besteht.

So produzieren Pflanzen Zucker. Aber wir verbrauchen es. So was passiert mit dem Zucker in unserem Körper? Eine mögliche Antwort kam in den 1930er Jahren, als Gustav Embden, Otto Meyerhof und Jacob Parnas Glykolyse, der Weg beschrieben, die Glukose in Pyruvat abbaut. Wir wissen jetzt, dass die Glykolyse auch Adenosintriphosphat oder ATP produziert.

ATP Struktur wurde 1935 in Meyerhof Labor von Karl Lohmann ermittelt. Meyerhof und Lohmann vorgeschlagen, dass ATP könnte "Speichern" Energie, die durch Fritz Lipmann 1941 bestätigt wurde, identifiziert die energiereichen Bindungen in ATP und eine Theorie, durch die diese Anleihen während der Biosynthese genutzt werden könnte.

Parallel festgestellt Hans Krebs, dass die Oxidation von Glukose oder Pyruvat durch eine Reihe von Säuren, stimuliert werden könnte, die zyklische Reaktionen bilden die Tricarboxylic Säure Zyklus, abgekürzt als den TCA-Zyklus gehören. Sein Hauptbeitrag wurde darauf hingewiesen, dass Oxalacetat und Pyruvat, Citrat, konvertiert werden, könnte die Oxidation Serie ihrer zyklische Form gab.

Im Jahr 1946 erläutert Lipmann und Nathan Kaplan weiter die Reaktion, die Umwandlung von Pyruvat zu Citrat mit ihrer Entdeckung von Coenzym a. Wir wissen jetzt, dass Pyruvat interagiert mit diesem Enzym Acetyl-Coenzym A, zu bilden, die den TCA-Zyklus startet.

Später, zwischen den 1950er und 1970er Jahren festgestellt Forscher, dass Elektronen freigegeben während des TCA-Zyklus zu Proteinkomplexe befindet sich in den Mitochondrien in einen Weg die Elektronentransport-Kette namens "durchgeführt" können. Wichtig ist, im Jahr 1961 Peter Mitchell vorgeschlagen, dass die Übertragung von Elektronen zwischen diesen komplexen produziert ein Proton "Gradient", die die Produktion von die meisten von einer Zelle ATP fahren konnte.

Zusammengenommen, die Entdeckungen der Photosynthese, haben Glykolyse, den TCA-Zyklus und der Elektronentransport-Kette die Grundlage, auf die heutige Studien des Zellstoffwechsels jetzt Rest gebildet.

Obwohl diese historische Entdeckungen immense Einblick in Stoffwechselwege zur Verfügung gestellt haben, haben sie auch mehrere Fragen angespornt. Betrachten wir einige von denen, die unbeantwortet bleiben.

Heute suchen Forscher wie Stoffwechselwege von ökologischen Stressoren wie Giftstoffen oder Strahlung betroffen sind. Vor allem gibt es Interesse an wie solche Faktoren die abnormale Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies wie freie Radikale, die Sauerstoffatome ergeben, so dass sie hochreaktive ungepaarte Elektronen besitzen. Diese Moleküle können andere Zellbestandteile schädigen und oxidativem Stress führen.

Oxidativer Stress hat in zellulären Seneszenz und Tod, und auch in der Initiierung und Progression von Krebs in Verbindung gebracht. Daher sind Zellbiologen interessiert bei der Bestimmung, wie diese reaktive Spezies einer Zelle normalen physiologischen Prozesse wie Zellteilung auswirken. Mit diesen Informationen können sie weiter die Rolle dieser Arten in pathologische Ereignisse ableiten.

Schließlich mehrere Forscher interessieren sich Stoffwechselstörungen – Bedingungen, in denen bestimmte Stoffwechselreaktionen gestört sind. Dazu gehören Krankheiten wie Diabetes, wo der Körper nicht in der Lage ist, Zucker zu verstoffwechseln. Forscher versuchen derzeit identifizieren Faktoren wie Gene oder Umwelt Hinweise, die zu solchen Krankheiten beitragen. Dies hilft ihnen letztlich bei der Entwicklung wirksamer Therapien für Patienten.

Nun, da Sie ein paar Fragen auf dem Gebiet des zellulären Stoffwechsels gehört haben, betrachten wir die experimentellen Techniken, die Wissenschaftler verwenden, um sie zu lösen.

Das ultimative Ziel vieler katabole Prozesse in lebenden Zellen ist zum Generieren von ATP, die Primärenergie Lagerung von Zellen verwendet wird. Daher können Techniken wie die Probe, ATP Biolumineszenz, die ATP in einer Probe mit Hilfe des eine Lumineszenz Reaktion quantifiziert, Einblick in die Stoffwechselaktivität der Zellen.

Andere Methoden konzentrieren sich auf spezifische Stoffwechselwege. Beispielsweise können die Forscher den Stoffwechsel von Glykogen in seinen Monomer Glucose auswerten. Eine Möglichkeit, dies zu tun ist, Glukose aus Glykogen in Produkten, die reagieren mit Erkennung von Sonden und induzieren eine Farbänderung oder Fluoreszenz abgeleitet zu verarbeiten. Auf diese Weise können Forscher berechnen, wie viel Glykogen in ihre Proben ursprünglich vorhanden war.

Im Gegensatz dazu kann abnorme Stoffwechsel durch Messung von reaktiven Sauerstoffspezies erkannt werden. Im Allgemeinen verwenden die Forscher eine Sonde, die nach "angegriffen" von einem Mitglied dieser Spezies fluoresziert. Diese Tests direkt die Menge an reaktiven Sauerstoff-Metabolite zu quantifizieren und ermöglichen somit bei der Erkennung von oxidativem Stress.

Zu guter Letzt analysieren Forscher Stoffwechsel organismal Ebene durch "Metabolic Profiling." Mit Hilfe moderner Methoden wie high-Performance liquid Chromatography, HPLC, und Massenspektrometrie oder MS können Wissenschaftler Metaboliten in biologischen Proben anwesend zu quantifizieren und feststellen, ob bestimmte Stoffwechselwege ins Stocken geraten oder Überfunktion sind.

Mit all diesen Tools zur Verfügung Mal sehen, wie Wissenschaftler setzen sie für Versuchszwecke.

Einige Wissenschaftler wenden diese Methoden, um neue Wege zur diagnose von Stoffwechselstörungen zu entwickeln. Hier wurde ein Protokoll entwickelt, um die peripheren mononukleären Blutzellen oder PBMCs, vom Patienten Blutproben bei der Beurteilung ihres Inhalts Glykogen zu isolieren. Mithilfe einer Glykogen-Stoffwechsel-spezifische Färbung Assay erhielten Forscher Einblicke in die Menge an Glykogen in diesen Proben vorhanden. In Zukunft könnten Anwendungen, diese Technik dazu beitragen, Patienten mit Glykogen-Stoffwechsel-Erkrankungen zu diagnostizieren.

Andere Forscher sind diese Tools verwenden, um die Wirkung der Umweltbelastung auf Stoffwechsel untersuchen. In diesem Experiment gemessen Wissenschaftler reaktiven Sauerstoff-Spezies in den Zebrafish Embryos mit einem chemischen namens Rotenon behandelt, oder nach Schaden an ihren Schwänzen. Dies geschah mit Hilfe einer Sonde, die rot, wenn Sie von reaktiven Sauerstoffspezies gezielt fluoresziert. Nachfolgende Beurteilung des ganzen Embryonen ergab erhöhte Produktion von diesen Molekülen als Reaktion auf Verletzungen und chemische Belichtung, was eine schützende Rolle dieser Metaboliten.

Schließlich untersuchen Zellbiologen auch die metabolischen Eigenschaften von Krebszellen. Forscher sammelten hier den Inhalt der menschlichen Darmkrebszellen, und dieser Extrakt zu metabolic profiling mit HPLC und MS. Dies konnten Forscher identifizieren Metaboliten in das erkrankte Gewebe vorhanden.

Sie habe nur Jupiters Einführungsvideo zu zellulären Stoffwechsels beobachtet. Viele komplexe Wege beschreiben die Stoffwechselaktivität der Zellen, und jetzt wissen Sie, wie diese Wege wurden entdeckt, und wie Forschungen noch versuchen zu entschlüsseln, die unbekannten Komponenten. Denken Sie daran, den Stoffwechsel ist gut, aber zuviel an etwas schädlich sein kann. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

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